含水弱化的软岩变参数蠕变损伤模型研究

为准确描述软岩受水弱化作用影响的蠕变特性,基于西原模型,引入与含水率有关的损伤变量Dω以及与时间相关的损伤变量Dt,建立了考虑软岩含水劣化效应的变参数蠕变本构模型,并采用参数反演的方法对模型的合理性和正确性进行了验证。研究表明:水的存在导致软岩蠕变量增加,到达稳定蠕变的时间延长;改进的蠕变损伤模型在不同含水状态和不同应力等级下的拟合曲线与试验曲线都十分吻合;该模型可以较好地描述蠕变全过程尤其是加速蠕变阶段。开展含水弱化软岩蠕变损伤本构关系的研究,将为进一步认识软岩的流变特性提供一定的理论依据。     

变参数蠕变损伤本构模型及其工程应用

 考虑岩体的流变损伤劣化效应,建立一个变参数的蠕变损伤本构模型,该模型将岩体流变力学参数看作是非定常的,认为岩体流变参数随时间逐渐弱化,从而直观反映材料的损伤劣化过程。推导该蠕变损伤本构模型的三维差分表达式,并通过C++与FISH编程对有限差分软件FLAC3D进行二次开发,实现本构模型的程序化。将该模型应用于大岗山水电站坝基边坡工程,基于现场压缩蠕变试验,反演坝区岩体的蠕变损伤参数,通过坝区边坡开挖三维蠕变损伤稳定性计算,获得对边坡开挖设计和施工具有指导意义的建议和结论。     

盐岩蠕变特性温度效应的实验研究

对经历不同温度后的盐岩蠕变特性进行了实验研究,研究了应力水平和温度对盐岩蠕变特性的影响,通过实验获得的蠕变曲线和岩石参数,回归出了其稳态蠕变率本构方程。分析结果表明:偏应力和温度对盐岩稳态蠕变率影响较大;稳定蠕变应变率本构方程是作用在盐岩上的应力偏量的幂次函数和能量与温度的指数函数。并从盐岩蠕变模量随蠕变时间的变化规律入手,导出了以蠕变时间为自变量的损伤率演化方程和用损伤表示的蠕变模量演化方程。     

基于粒子群优化算法的高地应力条件下硬岩本构模型的参数辨识

粒子群优化(PSO)算法是一类随机全局优化技术,具有收敛速度快、规则简单、易于实现的优点。高地应力条件下硬岩本构模型参数的确定是个尚未解决的难题。以一种适用于高地应力条件下的硬岩本构模型为研究对象,提出基于PSO算法的本构模型参数辨识方法。该方法从本构模型参数的随机值出发,以破坏区的数值计算值与实测值的误差大小作为适应度来评价参数的品质,利用PSO算法规则实现模型参数的进化,搜索出全局最优的模型参数值,从而实现硬岩本构模型参数的自适应辨识。采用该方法对加拿大的Mine-by隧洞和我国的太平驿水电站引水隧洞进行了围岩本构模型参数识别,计算结果与实测情况相吻合,表明该方法是科学可行性的,具有较高的效率和精度。     

软岩非线性蠕变模型研究

以工程实际中广泛应用的元件组合模型为基础,通过引入损伤变量和硬化变量,建立了一个软岩非线性蠕变模型。分析认为,Maxwell体等价于一个线性损伤的虎克弹性体,Kelvin体相当于一个线性硬化的牛顿黏性体,Burgers体则是一个能同时描述线性损伤、硬化的模型。软岩蠕变过程中,其微观结构会发生变化,并导致软岩形变行为产生相应的改变,引入非线性损伤、硬化变量代替Burgers模型中的线性损伤、硬化变量,可以反映这种改变对软岩蠕变的影响。所建立的非线性蠕变模型可以用一个统一的方程描述软岩蠕变过程三个阶段的变形特征。将该模型与试验曲线进行对比,两者吻合较好。     

基于分数阶微积分的岩石非线性蠕变损伤力学模型

借鉴元件组合模型的建模方法,将含分数阶导数的软体元件与虎克体串联,引入能反映应力水平和时间影响的损伤变量,提出一种四元件非线性蠕变损伤模型,并给出该模型的本构方程和蠕变方程.在应力水平较低时,模型能够有效地描述岩石的衰减蠕变和稳定蠕变;当应力水平超过岩石的长期强度时,能够反映加速蠕变特性.利用蠕变试验数据对所提出的模型进行辨识,结果表明该模型不但能够很好地描述蠕变曲线中衰减蠕变阶段、稳态蠕变阶段和加速蠕变阶段,而且可以在保证拟合精度的条件下减少模型中的参数,为非线性蠕变模型研究提供了一种新的思路.     

基于统一强度理论的软岩损伤统计本构模型研究

基于统一强度理论，在考虑洛德参数的基础上，得到随洛德参数和中间主应力系数变化的材料统一强度参数，建立可以考虑中间主应力的统一强度理论平面形式的强度准则。假定软岩微元强度分布统计概率，定义软岩的统计损伤变量，依据统一强度理论建立三轴应力状态下软岩的损伤统计本构模型。通过软岩的常规三轴试验结果对其进行验证，对偏应力-应变的理论结果与试验结果进行比较。研究结果表明，该本构模型能够较好地反映软岩的偏应力-应变关系，尤其是应变软化特性。而且依据统一强度理论和统一强度内摩擦角的发挥，进一步分析表明洛德参数以及中间主应力系数b对偏应力一应变关系有影响，软岩的偏应力-应变曲线先随洛德参数的增大而上升到一定值，而后随洛德参数的增大而降低；随中间主应力系数b的增大而不断增加。     

理论流变力学模型中蠕变损伤的研究方法与问题

在用理论流变力学模型研究蠕变损伤时,以往许多研究按照Lemaitre应变等效原理,根据理论流变力学模型在模型参数为常数条件下得到的蠕变方程,将其中的应力替换成有效应力,以引进损伤变量,并采用适当的损伤演化方程来描述损伤变化规律,由此得到蠕变损伤方程,这等同于将理论流变模型中的流变参数p替换为p(1-D)(D为损伤变量),这时的流变参数是一个变量,这种做法存在着与参数非线性理论流变力学模型研究中相同的问题,即通过直接将常参数条件下的蠕变方程中的参数替换成其相应的函数而得出错误的变参数条件下的蠕变方程。本文先假定蠕变时间与损伤时间一致,给出将理论流变力学模型微分型本构方程中的应力替换成有效应力,再由此解出蠕变损伤方程的方法。在此基础上,进一步证明用叠加原理求解理论流变力学模型蠕变损伤方程的正确性,并据此给出蠕变时间和损伤时间不一致时的理论流变力学模型蠕变损伤方程求解方法。指出以往研究中的一些问题并给出更严谨的结果,可望为以后的研究提供借鉴。     

软弱围岩蠕变损伤机理及合理支护时间的反演分析

基于软弱围岩的蠕变损伤机理，提出了围岩蠕变损伤具有变形损伤与时间损伤耦合效应的观点。运用Burgers模型引入蠕变损伤变量，采用位移反分析方法对圆形巷道的粘弹性变形规律进行研究，得出软岩巷道合理支护时间的确定方法。通过工程实例证明该方法是合理的。     

富水泥质板岩隧道围岩蠕变力学特性研究EI北大核心CSCD

目前,对于考虑含水劣化的软岩蠕变力学特性研究存在一定的局限性。针对此问题,以沪昆客运专线长昆湖南段姚家隧道施工期泥质板岩的蠕变问题为出发点,通过三轴压缩蠕变试验分析应力状态及吸水率对泥质板岩蠕变特性的影响规律,在已有Burgers蠕变本构模型的基础上,引入水劣化因子,建立泥质板岩考虑吸水率的黏弹塑性蠕变本构方程,将蠕变参数转化为prony级数,在ANSYS软件中验证蠕变本构方程的合理性。研究结果表明:随着吸水率的增大,泥质板岩的蠕变变形和蠕变率增大,进入等速及加速蠕变阶段的进程加快;应力差的增大预示着泥质板岩进入等速及加速蠕变阶段的进程加快,时间缩短;随着吸水率的增大,泥质板岩蠕变参数(变形模量、黏滞系数、体积模量)呈指数函数减小。将顾及了水劣化因子的蠕变本构模型输入至ANSYS软件中,计算结果与三轴压缩蠕变试验结果吻合度较高,表明考虑吸水率的黏弹塑性蠕变本构模型具有较强的实效性,可以用于描述富水泥质板岩隧道围岩的蠕变规律。     

岩石非定常蠕变模型辨识

在页岩蠕变试验数据基础上,分析岩石黏弹性变形随应力水平不同和时间发展的变化规律.通过反分析方法建立一维情况下非定常黏弹性模型的蠕变方程,通过应变的理论计算结果与试验结果的对比发现,不考虑参数的时间相关性将引起较大的误差,而考虑参数的时间相关性的非定常黏弹性模型比定常黏弹性模型可更为准确地反映岩石的黏弹性变形性能.在软岩巷道二维非定常蠕变模型辨识的工程实例中,事先假定围岩为黏弹性和黏弹塑性两种不同力学模型,并分别考虑参数为定常和非定常两种情形,在已知现场量测位移条件下,利用位移反分析并根据一定的准则函数求其不同模型中的参数及相应的准则函数值,由各个模型相应的准则函数值大小,判定最佳模型.在假定的一组模型里,发现非定常黏弹塑性模型为最佳模型.     

碾压混凝土各向异性徐变损伤本构模型

碾压混凝土的徐变包括低应力水平下的近似线性徐变和高应力水平下的非线性徐变，在低应力水平下，损伤值较小，徐变近似线性，可以应用叠加原理；在高应力水平下，损伤值较大，徐变表现为明显的非线性，叠加原理不再适用，高应力水平下徐变的非线性特征可以用线性徐变和损伤耦合来描述。根据碾压混凝土材料损伤拉压显著不同的特点，分别在拉压应变空间建立了碾压混凝土的损伤演化方程，考虑粘弹性与损伤耦合，应用正交各向异性损伤理论来描述由于微裂缝扩展引起的刚度退化和应变软化，该模型能够较好地描述碾压混凝土的在复杂应力状态下的非线性徐变特性。     

基于残余强度变形阶段特征的岩石变形全过程统计损伤模拟方法

岩石应变软化变形破坏全过程模拟是岩石力学研究的重要内容。首先在分析岩石应变软化变形全过程不同阶段变形特征基础上,针对现有岩石损伤模型难以反映岩石破坏后仍具残余强度特性的不足,假设受载岩石可抽象为损伤和未损伤两部分材料组成,其所受轴向荷载由这两部分共同承担,且损伤部分所受应力为残余强度,建立出可反映岩石破坏后仍具残余强度特征的新型损伤模型;其次,引进统计损伤理论,在探讨岩石微元强度合理度量方法的基础上,考虑岩石损伤阀值的影响,建立可反映岩石变形全过程特征的岩石统计损伤演化模型;然后,利用上述岩石损伤模型和损伤演化模型建立出可模拟岩石应变软化变形全过程的损伤统计本构模型,并建立其模型参数确定方法,该模型能较好地反映岩石峰后残余强度阶段变形特征;最后,通过实例分析与讨论,并与其他同类模型分析结果进行比较分析,表明本文模型与方法的合理性与优越性。     

基于正态分布的岩石软硬化损伤统计本构模型及其参数确定方法探讨

在现有新型岩石损伤模型研究基础上,首先,利用岩石微元强度服从正态分布的规律与岩石损伤的能量原理建立能反映特定围压下岩石应变软化或硬化变形全过程的损伤统计本构模型;其次,通过研究特定围压下岩石应力应变全曲线的特征及其在不同围压下特征参数(峰值点强度与应变)之间的关系,建立岩石损伤软硬化统计本构模型参数的确定方法,从而建立能充分反映不同围压下岩石应变软硬化变形全过程的统一损伤软硬化统计本构模型,该模型具有参数少、易于确定和能同时反映岩石应变软硬化特性的特点,并且模型参数确定方法揭示了模型参数的物理意义。理论与试验结果的比较分析表明了本文模型的合理性。     

软岩的损伤西原流变模型及FLAC3D实现

流变是工程软岩岩体的一个重要特性。流变过程中,岩体参数随时间发生损伤衰减。作为常用的本构模型之一,西原流变模型能较为综合地反映岩体弹-黏弹-黏塑性流变性质,但其元件各参数通常假定为常数,对加速蠕变阶段的岩体状态描述不够准确,与实际出入较大。基于西原模型,结合由损伤导致的参数衰减,提出了考虑损伤的西原流变模型及结合三轴压缩试验确定损伤阈值的方法,并进行了FLAC^3D自定义本构模型二次开发。用本模型对已有文献中的三轴试验进行数值模拟,得到的结果与原试验对比,结果表明：考虑损伤的西原流变模型与实际情况较为吻合;实验加载曲线中体积应变有明显拐点,之后损伤急剧增大,可确定为损伤阈值。     

含弱面砂岩非线性黏弹塑性流变模型研究

 利用CSS–3940YJ型岩石剪切流变试验机,对向家坝水电站左岸坝基挤压带含弱面砂岩进行剪切流变试验。试验结果表明：该岩石属于典型的软岩,在恒定剪应力水平下具有显著的亚稳定蠕变特性。在应力达到一定水平时,岩石经过衰减和亚稳定蠕变之后发生加速蠕变破坏。根据含弱面砂岩剪切蠕变特性,对非线性流变元件进行改进,定义其在应力阈值前后分别等同于牛顿黏壶和非线性黏塑性体。将改进的元件与广义Kelvin模型串联,组合成四元件流变模型。该模型可以充分反映岩石亚稳定蠕变和加速蠕变特征,并具有结构简单、参数少的优点。推导四元件流变模型的本构方程,从理论上对岩石非线性蠕变特性进行分析。采用所建立的模型对岩石进行剪切流变力学参数辨识,并研究应力水平超过阈值后的参数辨识方法。通过模型计算结果与试验结果的比较,对提出的非线性黏弹塑性流变模型进行验证,显示所建模型的正确性与合理性。     

泥岩蠕变损伤试验研究

 在岩石蠕变过程中,施加载荷超过某个应力水平后,其强度会随着时间和应力逐渐降低,这种损伤规律可以定量地用岩石基本力学参数如弹性模量E、黏聚力c和内摩擦角j 降低的多少来反映。对宝鸡市秦源煤矿泥岩进行8个不同应力水平、3个不同时间段蠕变试验,采用单试件法测得泥岩蠕变过程中各力学参数E,c,j的变化值,对试验数据进行分析,建立该泥岩E,c,j随应力水平、长期强度及时间的耦合函数关系,它们之间呈指数衰减变化。分析耦合函数中各个系数的特点,得到泥岩力学参数损伤规律的通用表达式,式中各参数物理意义明确,测试简单。其研究结果为建立岩石损伤流变本构模型奠定基础。     

基于改进Harris分布的岩石损伤统计本构模型研究

结合连续损伤理论和统计损伤理论,从岩石内部缺陷分布的随机性出发,提出了一种新的岩石微元强度概率密度分布函数—改进的Harris函数,建立了基于改进Harris分布的岩石损伤统计本构模型,并分别用曲线拟合法和多元函数求极值法确定了模型参数,最后用试验数据对模型进行了验证。结果表明:该模型理论曲线与试验曲线吻合良好,能够较好的反映岩石在三维应力状态下的应力—应变关系和破坏全过程,特别是岩石的应变软化特性和峰值强度随围压增加而增大的特性,从而说明了模型的合理性和可行性。